Долговечность светодиодов: мифы и реальность

По мере того как системы освещения становятся более технически сложными, вопросы надежности и долговечности источников света, напрямую связанные с затратами на закупку, монтаж и обслуживание световых установок, приобретают все большее значение. В силу растущей популярности светодиодных линеек и LED-модулей производители светотехники вынуждены чаще определять срок службы своей продукции в приближенных к реальности показателях. Очевидно одно: зачастую заявляемые поставщиками 100 тыс. часов ресурса твердотельных источников света — преувеличение.

В отличие от большинства традиционных источников света, включая лампы накаливания и люминесцентные лампы, светодиоды не перегорают, а с течением времени постепенно утрачивают свою яркость. Мгновенный выход диодов из строя — достаточно редкое явление, с которым, впрочем, время от времени сталкиваются пользователи. Притом, что известны примеры до сих пор работающих LED-устройств, изготовленных еще в 1980-е годы, вряд ли их нынешнюю светоотдачу можно считать практически пригодной. Что же касается выпускаемых в настоящее время светодиодов, даже если они и будут способны генерировать свет через заявленные производителем 100 тыс. часов, количество этого света будет явно недостаточным для большинства областей применения светильников.

Образец светодиодной лампы, разработанный в рамках проекта Brilliant Mix компанией OSRAM Opto Semiconductors. Изделие генерирует световой поток 110 лм/Вт с индексом цветопередачи свыше 90.

В процессе эксплуатации в светодиодах происходит плавное снижение генерируемого ими светового потока, измеряемого в люменах. Деградация качественных характеристик диода обусловлена увеличением разрушений в молекулярной структуре фосфора. Как правило, этот процесс ускоряется при увеличении рабочего тока и нагреве твердотельных источников света. Поэтому производители светодиодной продукции ввели в обиход термин «сохранение люменов» («Lumen maintenance»), обозначаемый латинской буквой L. Данное понятие характеризует остающуюся величину светового потока диода на протяжении периода эксплуатации по отношению к первоначальной величине светового потока устройства.

В силу постоянной деградации функциональности светодиодов понятие «срок службы до выхода из строя» - это период времени, в течение которого светодиод сохраняет световой поток до определяемого производителем минимально допустимого значения L. Ведущие мировые разработчики LED-продукции устанавливают для своих светотехнических изделий это значение в 50% (L50) или в 70% (L70). Это означает, что после эксплуатации диода в течение указанного производителем времени первоначальная яркость источника света снизится на 50% или на 70% соответственно.

Свой вклад в снижение яркости LED-устройств вносит и пожелтение под воздействием ультрафиолетового излучения эпоксидной линзы, которой защищен диод. Именно поэтому ультрафиолетовые светодиоды имеют очень ограниченный срок службы и не используются в системах общего освещения.

Стоит также заметить, что долговечность выпускаемых в настоящее время светодиодов зачастую определяется производителями в лабораторных условиях при окружающей температуре +25 градусов Цельсия с помощью оборудования, в котором процессы воздействия внешних факторов преднамеренно многократно увеличены. Это дает возможность, к примеру, в течение месяца имитировать беспрерывную эксплуатацию светодиода в течение года или более длительного периода времени. Очевидно, что в реальных условиях результаты с большой долей вероятности будут иными, чем цифры, полученные в исследовательских лабораториях.

Разработчики светодиодов не отрицают, что помимо непосредственно деградации яркости светодиодов в процессе эксплуатации на срок службы LED-устройств оказывают влияние и другие факторы, включая влажность, температуру, силу тока и напряжение, механическое воздействие и воздействие химических веществ, а также солнечный свет. Эти факторы могут привести к преждевременному выходу светодиодного светильника из строя или же существенно ускорить процесс деградации яркости светодиода. Последнее вызывают в первую очередь воздействие высоких температур и увеличение рабочего тока, подаваемого на светодиод. Внешний нагрев приводит к увеличению температуры в p-n-переходе светодиода, которое влечет за собой ускорение деградации светового потока, генерируемого твердотельным источником света. Поскольку при эксплуатации диода в любом случае происходит нагрев p-n-перехода, разработчики светотехнической продукции предусматривают в дизайне своих изделий различные способы рассеивания и отвода тепла и применяют в конструкции диодов специальные материалы.

Особого внимания заслуживает долговечность белых светодиодов. Под воздействием времени и температуры фосфоры в них деградируют, что приводит к изменению цвета свечения этих источников света. Обычно со временем их свет приобретает голубоватый оттенок.

Что же касается некачественно изготовленных светодиодов, в них может наблюдаться процесс шнурования тока, следствием чего (в особенности в светодиодах высокой яркости) является стремительное возрастание температуры внутри устройства. Это, в свою очередь, ведет к увеличению сопротивления, которое в результате способствует еще большему росту температуры. Как уже отмечалось, при нагревании процесс деградации фосфоров в диодах существенно ускоряется. Если преследуется цель - сконструировать светодиодную систему, которая бы не нуждалась в регулярном обслуживании и полноценно бы функционировала по меньшей мере год или два, необходимо использовать только качественные светодиоды ведущих мировых производителей и при эксплуатации устройств соблюдать все рекомендации фирмы-разработчика, включая температурный режим и силу рабочего тока.

Примечательно, что под воздействием низких температур световой поток, генерируемый светодиодами, возрастает. Опять же, при увеличении внешней температуры яркость светодиодной установки будет уменьшаться быстрее, чем в штатном режиме. Если световая конструкция расположена в местах, время от времени подверженных сильному нагреву, специалисты рекомендуют использовать в таких системах большее число светодиодов и при этом уменьшать величину рабочего тока. Такой способ позволит достичь и требуемой яркости, и желаемого срока службы установки.

В последние годы некоторые из наиболее известных мировых производителей светодиодной продукции стали сопровождать свои изделия графиками, где демонстрируется кривая деградации светового потока диода по мере течения времени эксплуатации. Эти данные позволяют прогнозировать приемлемый для пользователя срок службы светодиодной системы при требуемом уровне яркости. Поскольку далеко не все могут довольствоваться тем, что через определенное время световая установка будет вдвое или даже втрое менее яркой, чем изначально, вполне вероятно, что наличие таких графиков в сопроводительной документации к светодиодам будут предусматривать все больше и больше разработчиков и поставщиков светотехники.

Эксперты светотехнической отрасли прогнозируют, что со временем срок службы светодиодов превысит 20 лет. Этого удастся достичь благодаря проводимым в настоящее время исследованиям в области материалов и фосфоров. Как скоро такие светодиоды появятся в продаже, пока еще никто не может предсказать. И все же пользователям не столько важно знать, какое время может прослужить LED-светильник теоретически, сколько иметь достоверную информацию о практически пригодном ресурсе твердотельных источников света.

При подготовке публикации использованы информационные материалы компаний Cree, Inc., Lunar Accents Design Corporation и Osram Opto Semiconductors.